2023年高考化学一轮复习讲练测第18讲原电池　化学电源（讲）（全国通用解析版）.pdf

第18讲 原 电 池 化 学 电 源目录第一部分：网络构建（总览全局）第二部分：知识点精准记忆第三部分：典型例题剖析高频考点1考查原电池的工作原理高频考点2考查原电池正、负极的判断高频考点3考查原电池原理的应用高频考点4考查可充电电池（二次电池）高频考点5考查新型电源（新型燃料电池）正文第一部分：网络构建（总览全局）单液原电池盐桥中装有饱和的KCI、KNO3等溶液和琼股制成的股冻电成路内形回接，合连路W平地电荷，使原电池不断产生电流盐桥的作用盐桥中离子移向：盐桥念饱和KCI（KNO3）溶液，K+移向正极，Cl-（NO3-）移向负极盐 桥 一 双 液 原 电 池正极：还原反应工 作原理极:氧化反应原电池化学电源第二部分：知识点精准记忆知识点一原电池的工作原理及应用1.概念和反应本质原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是自发进行的氧化还原反应。2.构成条件（1）一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）。（2）二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。（3）三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件:电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中。3 .工作原理以锌铜原电池为例将沿导线传递,有电流产生（1）反应原理电子移动方向：锌失电子逐渐溶解变成Z n 2+进入溶液，电子从负极经导线流入正极。离子移动方向：阴离子向负极移动（如 S C T）,阳离子向正极移动（如 Z M+和H+,溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出）。两极电极反应式负极（锌极）：Z n 2 e-=Z n 2 （氧化反应）。正极（铜极）：2 H+2 5 =H 2（还原反应）。总反应：Z n+2 H =Z n2+H2t（2）单液原电池和双液原电池对比（3）双液原电池中盐桥的组成和作用比较项目单液原电池双液原电池相同点正负极，电极反应，总反应式，电极现象不同点能量变化化学能转化为电能和热能化学能只转化为电能反应区域两极反应在相同区域两极反应在不同区域盐桥中装有饱和的K C 1、K N C h 等溶液和琼胶制成的胶冻。盐桥中离子移向：盐桥含饱和K C 1 （K N C h）溶液，K*移向正极，C （N 0 3 ）移向负极盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。4 .原电池原理的应用（1）比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属（或非金属)。(2)加快化学反应速率：一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率增大。如在Z n 与稀硫酸反应时加入少量CuS04溶液构成原电池，反应速率增大。(3)用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。(4)设计制作化学电源拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应。选择电极材料：将还原剂(一般为比较活泼的金属)作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极石墨棒、钳片作负极。构成闭合回路：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。如果两个半反应分别在两个容器进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。知识点二常见化学电源及工作原理1.化学电源的优点和优劣判断标准(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。2.日常生活中的几种电池(1)碱性锌镒干电池一次电池正极反应：2MnO2+2H2O+2e-=2M nO O H+20H一；负极反应：Z n+2O H-2e-=Z n(O H)2；总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2M nOOH+Zn(OH)2。(2)银锌电池一次电池浸有KOH(ag)的隔板金属外壳补锌负极、Ag2。正 极八负极反应：Zn+20H-2 e =Zn(O H)2；正极反应：Ag2O+H2O+2e=2Ag+20H-；总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(O H)2+2Ag-(3)锂电池一次电池LiSOCL电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCL-S O C L 电池的总反应可表示为 8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S。负极材料为锂，电极反应为8Li 8屋=8 3。正极的电极反应为3SOC12+8e=2S+SOM+6C。(4)二次电池(可充电电池)：放电后能充电复原继续使用铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是P b,正极材料是PbCh。放电时的反应a.负极反应：Pb+SO F-2 e =P b S O4；b.正极反应：PbO2+4H+SOF+2e=P bS O4+2H2O；c.总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O(.充电时的反应a.阴极反应：PbSO4+2e=P b+S O 2；b.阳极反应：PbSO4+2H2O-2e=P b O2+4H+S O r；c.总反应：2PbSO4+2H2O=P b+PbO2+2H2SO4注：可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。3.图解二次电池的充放电夕时妾电源负极同一电极/1I还原反应:阴版 充电 可充电 放电 厂负极:氧化反应氧化反应：阳极-就猛 匚正极:还原反应-1夕腰电源正极同一电极4.二次电池的充放电规律(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH 的变化趋势也恰好相反。5.“高效、环境友好的燃料电池(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。种类酸性碱性负极反应式2H24 e=4 H +2H2+40H-4e=4 H2O正极反应式O2+4e+4 H=2 H2OO2+2H2O+4e=4 0 H电池总反应式2H2+O2=2 H2O备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用(2)甲烷燃料电池酸性介质(如H2 s o Q或传导质子(H.)固体介质总反应式：CH4+2 O2=C O2+2 H2O,负极反应式：CH4-8 e+2 H2O=C O2+8H1,正极反应式：2 Ch+8e +8H+=4H2OO碱性介质(如KOH)总反应式：CH4+2 O2+2 OH=C O r+3H2O负极反应式：CH4-8e +IOOH=C 0?+7 H2Oo正极反应式：2。2+8屋+4 H 2 O=8 O H,熔融盐介质(如K2 co 3)总反应式：CH4+2 O2=CO2+2 H2O负极反应式：CH4-8e +4 CO32-=5 CO2+2 H2O 正极反应式：2 O2+8e-+4 co 2=4 CO3*。用能传导氧离子(。2-)的固体作介质总反应式：CH4+2 O2=C O 2+2 H2O,负极反应式：CH4-8e +4 O2 CO2+2 H2O正极反应式：2。2+8=4 02、(3)解答燃料电池题目的思维模型(4)解答燃料电池题目的几个关键点要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。6.化学电源中电极反应式书写的一般方法(1)明确两极的反应物；(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。注意：H+在碱性环境中不存在；02一 在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H+,生成H2 O,在中性或碱性环境结合Hz O,生成OH;若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。第三部分：典型例题剖析高频考点1考查原电池的工作原理例 1.（2 02 2 河南洛阳模拟预测）某种新型热激活电池的结构与工作原理如图所示。下列说法正确的是PANI-2e-j P A N fQ(M )+2 H；Fe2+冷却电池再生A.电池冷却时，电子由电极b经过导线流向电极aB.电池加热时，电极a的电势比电极b的低，且发生氧化反应C.为了保证电池持久工作，理论上应不断地向电解质中补充F e 2+D.应加入适量稀H 2 s o4 使电解质溶液呈较强的酸性【解析】由图可知，加热时，PA N I 失去了电子，发生氧化反应，应作负极；电池冷却时，电池再牛.，PA N I得到了电子，发生还原反应，应作正极。电子的流动方向是由负极流向正极，电势正极高于负极，在装置中 F e?+可以和F e 2+相互转化，F e 在水溶液中易发生水解，需加酸抑制其水解。A.电池冷却时，电极b上的PA N I O 得到电子重新生成PA N I,A错误；B.电池加热时，根据b极的电极反应式判断电极a 是正极，电极a的电势比电极b的 高，B错误；C.电池工作时，铁离子在电极a上转变成亚铁离子，冷却时亚铁离子转变成铁离子，理论上不需要补充亚铁离子，C错误；D.F e 易发生水解，适量硫酸的加入可以增强溶液酸性，抑制F e 3+的水解，D正确；故选D。【答案】D【名师归纳】原电池的工作原理简图注意：若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。【变式训练】（2 0 2 2 广东模拟预测）新型N a B H J H z C h 燃料电池总反应方程式为N a B H4+4 H 2 O 2=N a B O 2+6 H2O0下列有关说法中正确的是A.电池正极区发生氧化反应B.电池工作时，将电能转化为化学能C.电池工作时，H 2 O 2 得电子D.电池在工作过程中，N a+从正极区向负极区迁移【解析】新型N a B d/H z C h 燃料电池总反应方程式为N a B H 4+4 H 2 O 2=N a B O 2+6 H 2。，由总反应式，可确定负极反应物为N a B F U,正极反应物为H 2 O 2。A.电池正极区H 2 O 2 得电子，发生还原反应，A不正确；B.电池工作时，通过发生氧化还原反应，将化学能转化为电能，B不正确；C.从总反应式可知，电池工作时,H2O2中的0元素从-1价降低到-2价，则H2O2得电子，C正确；D.电池工作过程中，阳离子向正极移动,则Na+从负极区向正极区迁移，D不正确；故选C。【答案】C高频考点2 考查原电池正、负极的判断例2.（2022 安徽模拟预测）中科院开发的一种新型电池的反应原理如图所示，其中电解质LiCICU溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质可自由移动，b极参与反应的物质是二氯亚飒（SOCb）,且有刺激性气味气体产生。下列说法正确的是A.a极为正极，电极反应式为LiC104+e=Li+C10B.可用水代替有机溶剂C.正极产生的有刺激性气味气体为CLD.用该电池电解饱和食盐水（用惰性电极），若消耗Im ol锂，则理论上阴阳两极共产生气体22.4 L（标准状况）【解析】A.负极为L i失电子，生成锂离子，a应为负极，A项错误；B.L i容易与水反应，故不能用水代替有机溶剂，B项错误；C.正极电极反应式为2soeh+4e-=S+SO2f+4ch刺激性气味是二氧化硫，C项错误；D.消 耗Im ol锂，说明转移Im ol电子，阴极产生氢气0.5m ol,阳极产生氯气0.5m ol,故产生气体共22.4L（标准状况），D项正确；故答案选D。【答案】D【题后归纳】判断原电池正、负极的5种方法说明：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。【变式训练】（2022陕西西北工 业大学附属中学模拟预测）利用小粒径零价铁（ZVI）的电化学腐蚀处理三氯乙烯进行水体修复的过程如图所示。H+、Ch、N O,等粒子的存在会影响水体修复效果，设单位时间内Z V I释放电子的物质的量为n-其中用于有效腐蚀的电子的物质的量为力-。下列说法正确的是A.增大单位体积水体中ZVI的投入量，可使%一 增 大B.反应在负极反生，反应在正极发生C.单位时间内，三氯乙烯脱去a mol氯原子时 J=a molD.反应为 NO；+10H+-8e=NH；+3H2O【解析】A.增大单位体积水体中小微粒ZVI的投入量，可以增大小微粒ZVI和正极的接触面积，加快ZVI释放电子的速率，可使及增大，A 正确；B.由修复过程示意图中反应前后元素化合价变化可知，反应均为化合价降低得电子的反应，所以应在正极发生，B 错误；C.三氯乙烯C2HCI3中 C 原子化合价为+1价，乙烯中C 原子化合价为-2价，1 mol C2HCI3转化为1 mol C2H4时，得至U 6 m ol电子，脱去3 mol氯原子，所以脱去am olC l时 k=2amol,C 错误；D.由示意图可知发了如下转化：NO；NH：,由于生成物中有NH：,所以只能用H+和 H2O来配平该反应，NOJ得到电子，发生还原反应，所以的电极反应式为：NO；+10H+8e=NH：+3H2O,D 错误；故合理选项是A。【答案】A高频考点3 考查原电池原理的应用例 3.（2021全国高三专题练习）A、B、C、D 都是金属，把 C 浸入A 的硫酸盐溶液中，C 的表面有A析出；A 与 D 组成原电池时，A 质量减少；B 与 D 构成原电池时，电子是从D 经导线流向B。A、B、C、D 四种金属的活动性顺序为A.ABCD B.ACDB C.CADB D.CDBA【解析】C 能置换出A,故活泼性CA；A 质量减少，A 为负极，活泼性AD；电子D 经导线流向B,电子是从负极流向正极，活泼性D B,金属活泼型综合为CADB。故选C。【答案】C【题后归纳】利用原电池原理比较A、B 两种金属活泼性的方法：将 A、B 两种金属用导线连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A 溶解，而 B 上有气体放出，则说明A 作负极，B 作正极，即可以断定金属活泼性AB。【变式训练1】（2021全国高三专题练习）现有A、B、C、D 四种金属片：把 A、B 用导线连接后同时浸入稀硫酸中，B 表面逐渐溶解；把C、D 用导线连接后同时浸入稀硫酸中，C 发生氧化反应；把A、C 用导线连接后同时浸入稀硫酸中，电子流动方向为AT导线-C根据上述情况，下列说法中正确的是A.在中，金属片B 发生还原反应B.在中，金属片C作正极C.上述四种金属的活动性由强到弱的顺序是：A B C DD.如果把B、D用导线连接后同时漫入稀硫酸中，则金属片D上有气泡产生【解析】在中，B表面逐渐溶解，则B作负极，A作正极；在中，C发生氧化反应，则C作负极，D作正极；在中，电子流动方向为AT导线-C,则A作负极，C作正极。A.把A、B用导线连接后同时浸入稀硫酸中，B表面变黑并逐渐溶解；则活动性B A,B发生氧化反应，A错误；B.在中，由于金属片C发生氧化反应，所以C作负极，B错误；C.把C、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，C发生氧化反应；则活动性C D；把A、C用导线连接后同时浸入稀硫酸中,电子流动方向为Af导线-C,则活动性A C,所以四种金属活动性由强到弱的顺序是：B A O D,C错误；D.如果把B、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，由于活动性B D,则金属片D作正极，在D上氢离子得到电子产生氢气，所以有气泡产生，D正确；答案选D。【答案】D【变式训练2】(加快氧化还原反应速率)把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的C u S 0 4溶液，产生H 2的体积W L)与时间f(m in)的关系是。(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的C u S O 4溶液，产 生H 2的体积 L)与时间f(m in)的关系是。将中的C u S C 4溶液改成C H 3 c o O N a溶液，其他条件不变，则图像是。【解析】a中加入C u S C U，消耗一部分Z n,C u、Z n形成原电池，反应速率加快，所以a放出H 2的量减少，但速率加快。(2)a中加入C u S O a消耗Z n,但不影响产生H?的量，速率也加快。(3)C H 3 c o O N a 4 H2S O4反应后生成弱酸C H 3 c o O H,从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。【答案】(1)A (2)B (3)C高频考点4 考查可充电电池(二次电池)例4.(2 0 2 2安徽省广德中学模拟预测)氟离子电池是目前新型电池的一个重要研究方向。某全固态电解质的氟:离子电池工作时的示意图如图所示，下列有关说法正确的是Ab极固体电解质LaSrMnOzFA.放电时，a 极发生氧化反应，b 极发生还原反应B.充电时，a 极接电源负极，b 极接电源正极C.放电时，a 电极电势比b 电极低D.充电时，外电路每通过Imol e;固体电解质中有hnol F 移动向a 极【答案】D【解析】如图所示，放电时，a 极上得到电子，发生还原反应，则 a 极为正极；b 极上失去电子，发生氧化反应，则 b 极为负极。A.放电时，a 极上得到电子，发生还原反应，b 极上失去电子，发生氧化反应，A错误；B.放电时，a 极为正极，b 极为负极，则充电时，a 极接电源正极，b 极接电源负极，B 错误；C.放电时，a 极为正极，b 极为负极，则 a 电极电势比b 电极高，C 错误；D.充电时，a 极为阳极，电极反应为 Bi+3F-3e=BF3,则外电路每通过Imole、固体电解质中有Imol F 移动向a 极，D 正确；故选D。【题后归纳】可充电电池的思维模型外接电源负极同一电极I II还原反应：阴 极-充电 可充电 放电|负极：氧化反应氧化反应：阳极*广 矗 正极：还原反应I -1外接电源正极同一电极因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极【变式训练】(2022.天津耀华中学一模)高电压水系锌一有机混合液流电池的装置如图所示。下列说法错误的是濯电贵Zn(OHA：!Zn阳膜、A.充电时，中性电解质NaCl的浓度增大B.放电时，负极反应式为Zn-2e-+4OH=Zn(OH)：C.充电时，lmolFQH2转化为FQ转移2moi电子D.放电时，正极区溶液的pH增大【答案】A【解析】高电压水系锌-有机混合液流电池工作原理为：放电时为原电池，金属Z n发生失电子的氧化反应生成Zn”,为负极，则 FQ所在电极为正极，正极反应式为2FQ+2e-+2H+=FQH?,负极反应式为Zn-2e-+4OH=Zn(OH)：充电时电解池，原电池的正负极连接电源的正负极，阴阳极的电极反应与原电池的负正极的反应式相反，电解质中阳离子移向阴极、阴离子移向阳极。A.充电时装置为电解池，电解质中阳离子移向阴极、阴离子移向阳极，NaCl溶液中的钠离子和氯离子分别发生定向移动，即电解质NaCl的浓度减小，故 A 错误；B.放电时为原电池，金属Z n为负极，负极反应式为Zn-2e+4OH=Zn(OH)；,故 B 正确；C.充电时电解池，阳极反应为FQH2-2e=2FQ+2e-+2H+,则 ImoIFQH?转化为FQ时转移2moi电子，故 C正确；D.放电时为原电池，正极反应式为2 F Q+2 e-+2 H+=F Q H?,即正极区溶液的p H 增大，故 D正确；故选：A o高频考点5 考查新型电源（新型燃料电池）例 5.（2 0 2 2 河南模拟预测）水系锌离子电池由于具有对环境友好、成本低等优点，被认为是电池工业的未来，其放电时的工作原理如图所示。电池进行放电时，M nC h/T i 电极上生成的是Zn Mm CL下列有关说法错误的是-J。Z n2+皮 H+M nO2/T i Z nA.放电时，H+向 M nth/T i 电极移动B.放电时，电池总反应方程式为Z n+2 M nO 2=Z nM mO 4C.充电时，当外电路转移I mole-时，理论上Z n 电极减重3 2.5 gD.充电时，M n O2/T i 电极上发生反应：Z nM n2O4-2 e-Z n2+2 M nO2【解析】放电时，Z n 电极作负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Z n-2 e=Z n2+；M nC h/T i 电极作正极，得到电子，发生还原反应，电极反应式为Z n2+2 M nO 2+2 e =Z nM mO 4：电池总反应方程式为Z n+2 M nO2=Z nM n2O4o A.放电时，阳离子向正极移动，M nC b/T i 电极作正极，则 H+向 Mn ChE电极移动，A正确；B.放电时，电池总反应方程式为Z n+2 M nO 2=Z nM n2 C 4,B正确；C.充电时，Z n 电极作阴极，电极反应为Z n2+2 e -Z n,当外电路转移1 mol e-时，理论上Z n 电极增重3 2.5 g,C错误；D.充电时，M n O2/T i电极作阳极，电极反应为Z nM mO 4-2 e-=Z n2+2 M nO 2,D正确；故选C。【答案】C【名师归纳】间接电化学反应原理分析（1）定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质（催化剂），对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。（2）原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去（或得至U）电子，形成氧化态（或还原态）在电解溶液中进一步氧化（或还原）反应基质，最终生成目的产物。其原理如下图所示：A-ne-=AIA +R =A+P（负极或阳极区）B+ne-=B*-B-+R=B+P（正极或阴极区）【变式训练】（2 0 2 2 辽宁 鞍山一中模拟预测）图是碳呼吸电池（仅转化空气中的C O?）工作原理示意图，己知 A 1 2（C 2 O 4）3 难溶于水，有关说法错误的是Al负载含CO2空气)空气草酸盐溶液A12(C2O4)3A.该装置可将化学能转变为电能B.正极的电极反应为2 co 2+2e-=C2。：C.每生成1 molAb(C2O4)3,有6 m o i电子流过负载D.随着反应进行，草酸盐浓度大幅减小【解析】A.该装置属于原电池，可将化学能转化为电能，故A正确；B.原电池的正极得到电子发生还原反应，即C02得到电子被还原为C2。：，则其电极方程式为2co2+2e-=C2。：-,故B正确；C.每生成1mol A12(C2()4)3,需消耗2moiAl,2m oiAl失去6m oi电子,所以每生成1 mol A LQ C U b，有6 m o i电子流过负载，故C正确；D.该原电池的总反应为2A1+2c0 2=7 2仁2。4)3,生成的加2 9 2。4)3难溶于水，所以随着反应的进行，草酸盐的浓度保持不变，故D错误；答案选D。【答案】D